Plasma — tipos, propiedades y parámetros

El plasma es el cuarto estado de agregación de la materia: un gas altamente ionizado en el que los electrones, así como los iones con carga positiva y negativa, equilibran casi por completo las cargas eléctricas de los demás. Como resultado, si tratamos de calcular la carga total en cualquier pequeño volumen de plasma, será cero. Esta característica distingue al plasma de los haces de electrones e iones. Esta propiedad del plasma se llama cuasi-neutralidad.

En consecuencia (según la definición), el plasma se caracteriza, según la relación entre el número de partículas cargadas en su volumen y el número total de sus partículas constituyentes, por el grado de ionización:

• plasma débilmente ionizado (parte de un porcentaje del volumen de partículas ionizadas);

• plasma moderadamente ionizado (un pequeño porcentaje del volumen de partículas está ionizado);

• altamente ionizado (casi el 100% de las partículas en el volumen de gas están ionizadas).

Tipos de plasmas: alta temperatura y descarga de gas

El plasma puede ser de alta temperatura y descarga de gas. Primero ocurre solo en condiciones de alta temperatura, segundo — durante la dilución en un gas.Como sabes, una sustancia puede estar en uno de cuatro estados de la materia: el primero es sólido, el segundo es líquido y el tercero es gaseoso. Y dado que un gas altamente calentado pasa al siguiente estado, un estado de plasma, por lo tanto, es el plasma el que se considera el cuarto estado de agregación de la materia.

Las partículas de gas en movimiento en el volumen de plasma tienen carga eléctricapor lo tanto, se dan todas las condiciones para que el plasma conduzca una corriente eléctrica. En condiciones normales, el plasma estacionario apantalla un campo eléctrico externo constante, ya que en este caso se produce una separación espacial de cargas eléctricas en el interior de su volumen. Pero dado que las partículas cargadas del plasma están en condiciones de cierta temperatura, diferente del cero absoluto, existe una distancia mínima cuando se viola la cuasi-neutralidad en una escala menor que ella.

En un campo eléctrico acelerado, las partículas cargadas del plasma de descarga de gas tienen diferentes energías cinéticas promedio. Resulta que la temperatura del gas de electrones difiere de la temperatura del gas de iones dentro del plasma; por lo tanto, el plasma de descarga de gas no está en equilibrio y se denomina plasma en no equilibrio o no isotérmico.

A medida que el número de partículas cargadas de un plasma de descarga de gas disminuye en el curso de su recombinación, se forman inmediatamente nuevas partículas cargadas en el proceso de ionización por impacto por electrones acelerados por un campo eléctrico. Pero tan pronto como se apaga el campo eléctrico aplicado, el plasma de descarga de gas desaparece inmediatamente.

Un plasma de alta temperatura es un plasma isotérmico o de equilibrio. En tal plasma, la reducción en el número de partículas cargadas debido a su recombinación se complementa con la ionización térmica.Esto sucede a cierta temperatura. La energía cinética promedio de las partículas que componen el plasma son iguales aquí. Las estrellas y el Sol están hechos de plasma de alta temperatura (a temperaturas de decenas de millones de grados).

Para que un plasma comience a existir, se requiere una cierta densidad mínima de partículas cargadas en su volumen. La física del plasma determina este número a partir de la desigualdad L >> D. El tamaño lineal L de las partículas cargadas es mucho mayor que el radio de detección de Debye D, que es la distancia a la que tiene lugar la detección del campo de Coulomb de cada carga de plasma.

Propiedades del plasma

Hablando de las propiedades definitorias del plasma, cabe mencionar:

• alto grado de ionización del gas (máximo — ionización completa);

• carga de plasma total cero;

• alta conductividad eléctrica;

• brillar;

• fuerte interacción con campos eléctricos y magnéticos;

• oscilaciones de electrones de alta frecuencia (alrededor de 100 MHz) dentro del plasma, lo que provoca vibraciones en todo el volumen del plasma;

• interacción colectiva de una gran cantidad de partículas cargadas (y no en pares, como en un gas ordinario).

El conocimiento de las características de las propiedades físicas del plasma permite a los científicos no solo obtener información sobre el espacio interestelar (lleno principalmente de plasma), sino que también da motivos para confiar en las perspectivas de instalaciones de fusión termonuclear controlada (basadas en plasma de alta temperatura de deuterio y tritio).

El plasma de baja temperatura (por debajo de 100 000 K) ya se usa hoy en motores de cohetes, láseres de gas, convertidores termoiónicos y generadores MHD que convierten la energía térmica en energía eléctrica.En los plasmatrones se obtiene plasma a baja temperatura para la soldadura de metales y para la industria química, donde los haluros de gas inerte no pueden obtenerse por otros métodos.